挖掘机载荷谱模拟及动臂动态分析

东北大学

硕士学位论文

挖掘机载荷谱模拟及动臂动态分析

姓名：范磊

申请学位级别：硕士

专业：机械电子工程

指导教师：李奎贤

20060101

东北大学硕士学位论文第三章切向挖掘阻力的模拟第三章切向挖掘阻力的模拟

３．１实际切向挖掘阻力变化过程分析

太原重型机械厂进行了建国以来最大一次的挖掘机挖掘实验，在首钢水厂，挖掘爆破不好的铁矿石，共统计了１０３斗的实验数据，随机选出其中正常挖掘状态下的６斗。为了对挖掘阻力进行初步的分析，做出载荷谱如图３．１所示。

图３．１实际切向挖掘阻力曲线

Ｆｉｇ．３．１Ｔｈｅｃｕｒｖｅｏｆａｃｔｕａｌｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｏｆ

Ｔａｎｇｅｎｔｉａｌａｎｄｄｉｇｇｉｎｇ

经过对图象及现场情况的分析：在初始的挖掘过程（Ｏ。～１０。）中，由于司机的操作等人为因素导致初始的推压力和提升力偏高从而导致了切向挖掘阻力偏高。在正常按照对数螺旋线轨迹挖掘时，通过公式（１．１）可以看出在初始挖掘时挖掘厚度为零，切向挖掘阻力为零。前苏联的挖掘测试实验也可以证明初始的切向挖掘阻力为Ｏ［¨。由于不是主要挖掘过程，所以在以后讨论中不做主要分析。

３．２建立概率模型

由于公式（１．１）在挖掘阻力计算领域具有非常重要地位，并且具有结构简单、计算方便、物理意义明晰的优点所以基于该公式的思想建立概率模型，该公式中的切向

痧——料堆安息角，对于铁矿石，＝３８。把直线方程化为极坐标形式：

岛：二圭塑生±旦

（３．４）

。。ｓｉｎ（０＋００—７／＂）－ｃｏｓ（０＋Ｏｏ一，ｒ）ｔａｎ妒

矢径Ｐｌ是随挖掘角度臼变化而变化的向量。

根据公式（３．２）（３．４）画出挖掘轨迹简图３．２如下

图３．２挖掘轨迹

Ｆｉｇ，３，２Ｔｈｅｔｒａｃｋｏｆｃｕｔｔｉｎｇａｎｄｄｉｇｇｉｎｇ

图中００为初始投放角；

前苏联的文献有的把水平厚度选做挖掘厚度，工程上也有把竖直厚度作为挖掘厚度的，本文计算选择矢径之差为挖掘厚度：

ｃ（缈＝尸一Ｐｔ（３．５）显然，挖掘厚度ｃ也是随挖掘角度目变化的向量。

３．２．２模拟挖掘比阻力随机参数的确定

挖掘比阻力随机参数的确定主要是指均值和标准差。通过对挖掘样本——爆破后的矿石的分析，以及国内应用非常广泛的挖掘比阻力经验值表‘３４１对于爆破不好的矿石，其挖掘比阻力范围（３８０～４２０ｋＮ／ｍ２），并结合现场经验，初步选取挖掘比阻力均值为∥＝３８０ｋＮ／ｍ２，标准差为０＝４０ｋＮ／ｍ２。

３．３模拟切向挖掘阻力载荷谱

（１）产生挖掘比阻力的随机数

根据前苏联的一些学者提出的挖掘阻力近似符合正态分布‘”，以及太原重型机械厂实验后也得出的同样结论，根据对公式（３．１）分析知其斗宽ｂ是定值，挖掘厚度为确定函数，这样可提出挖掘比阻力盯，是正态分布的假设，利用３．２．２初步选取的均值Ⅳ＝３８０ｋＮ／ｍ２，标准差ｏ－＝４０ｋＮ／ｍ２产生随机数。

（２）计算挖掘厚度

利用公式（３．４）来计算挖掘厚度

ｃ（９）＝ｐ一岛＝岛，一面赢再－再Ｌｔａ丽ｎ（ｋ＋丽Ｈ丽‘３・６）

（３）确定切削边宽度

由铲斗的宽度即切削边宽度ｂ；

（４）模拟切向挖掘阻力

将（３．６）及切削边宽度ｂ代入（３．１）计算，得出随挖掘角度变化的切向挖掘阻力ｗｌ向量。

绘出模拟的切向挖掘阻力与实际的挖掘阻力载荷谱如图３．３，并进行分析和比较。

图３．３切向挖掘力载荷谱

Ｆｉｇ．３．３Ｔｈｅｓｐｅｃｔｒｕｍｏｆｔａｎｇｅｎｔｉａｌｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｏｆｄｉｇｇｉｎｇ

东北大学硕士学位论文第三章切向挖掘阻力的模拟３．４．３元素矩阵Ｍ的统计分析

针对太原重型机械厂提供的６个样本，对１０到５６度挖掘过程，进行概率分布统计分析，试着找出其中元素的分布规律。绘制直方图３．４如下：

图３．４挖掘比阻力分布

Ｆｉｇ．３．４Ｔｈｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｒａｔｉｏｏｆｃｕｔｔｉｎｇａｎｄｄｉｇｇｉｎｇ从该直方图中可看出，挖掘比阻力在３５０ｋＮ／ｍ２左右处概率明显高于其他。分布形状虽类似正态分布的趋势但不是很明显。考虑其原因可能是因为该挖掘段的物理意义还不是很明晰，在挖掘矿石过程中，挖掘矿石的物理方式有所变化，特别是当挖掘推压即将结束处于出斗过程时偏差较大，可能正是由于这种挖掘方式的变化导致了挖掘比阻力的不真实，从而掩盖了挖掘比阻力概率分布的真实性。所以还要进行不同挖掘段的更进一步的细致分析。

３．４．４主要挖掘段的确定及分布规律的统计分析

根据相关文献［１４］［１］研究过的铲斗在挖掘矿石过程中的物理意义具有明显的阶段性，包括：预准备挖掘阶段、第１段挖掘阻力上升阶段、第２段挖掘阻力在达到最大值前后的阶段、第３段挖掘阻力快速下降阶段。预准备阶段具有很大的主观性与司机的挖掘方式有很大关系不属于主要挖掘段。第ｌ、２阶段属于主要挖掘阶段１０。～３６。，完成对矿石挖掘的主要过程。第３段属于斗不推压只提升过程，矿石滑落进入铲斗。

考虑研究挖掘过程成的３段，第１段：当切向挖掘阻力达到最大值之前１０。～２０。的

东北大学硕士学位论文第三章切向挖掘阻力的模拟

上升阶段，第２段：当切向挖掘阻力达到最大值前后２０。一３６。的阶段，第３段：挖掘阻力达到最大值时，再挖掘一小段挖掘后３６。～４６。的快速下降阶段。分段后对每段的挖掘比阻力元素矩阵进行概率统计分析，绘制直方图３．５～３．７如下：

图３．５第１段挖掘比阻力

Ｆｉｇ．３．５Ｔｈｅｒａｔｉｏｏｆｃｕｔｔｉｎｇａｎｄｄｉｇｇｉｎｇｉｎｆｉｒｓｔｐｅｒｉｏｄ

图３．６第２段挖掘比阻力

Ｆｉｇ．３．６Ｔｈｅｒａｔｉｏｏｆｃｕｔｔｉｎｇａｎｄｄｉｇｇｉｎｇｉｎｓｅｃｏｎｄｐｅｒｉｏｄ